强风区挡风墙高度和位置对接触网区域风速的影响

韩佳栋，张 勇，刘晓红，曹树森

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043;2.西南交通大学机械工程学院，成都 610031;3.西南交通大学现代工业技术培训中心，成都 610031)

南疆线、兰新线穿越著名的安西、烟墩、百里、三十里风区及达坂城、阿拉山口风口，风区总长度500 km以上，特别是百里、三十里风区内大风频繁、风力强劲、风力变化剧烈，最大瞬时风速超过60 m/s。据统计，兰新线自1960至1993年，大风吹翻列车13起，总计翻车79辆［1］。为保障列车在大风气候条件下能正常安全行驶，铁路沿线局部地段采用了高3～3.5 m的挡风墙，对列车运行起到一定防护作用［2］，但没有考虑其对接触网区域风的上吹角变化，以及对接触网可靠性的影响。因此，强风区设置挡风墙对接触网结构强度、稳定性产生的影响还需要做进一步的研究。

1 风场模型、边界条件及网格划分

由于本次风场模型网格比较规则，直接在STARCD中建立模型，并对网格进行细化。

1.1 风场模型

边界条件:目前计算车辆为静止状态，车速不会造成接触网区域风场的变化。相对列车和接触网尺寸而言，列车长度可假设为无限长，采用二维稳态计算模型便可以满足计算要求［3］。计算模型如图1所示，风场左侧边界为入口边界，右侧和上方均采用压力边界，前后采用对称边界。风场高度为120 m，风场长度为360 m。在列车和挡风墙等风速变化比较剧烈的位置进行网格细化。

图1 风场模型

由于大风区风速较大，通过对雷诺数进行粗略计算，风区流场普遍为紊流，故设定边界条件时压力边界采用高雷诺数 κ-ε紊流模型，其中紊流强度 κ取0.05，紊流长度 l取 0.4［4，5］。

1.2 挡风墙计算模型

计算模型为车静止时，采用二维模型得出挡风墙高度以及距离对接触网区域风的速度和仰角的影响。

挡风墙计算简图如图2所示，将轨道予以简化，道床高度定为0.6 m。在此次模型计算中，参数可以变化，如挡风墙高度、厚度，以及与轨道1线中心线距离、路堤高度，图中部分尺寸仅供参考。

图2 挡风墙计算简图(单位:m)

1.3 列车模型

计算采用YZ25G型客车模型(图3)，列车高度为4.43 m，考虑到风场计算的网格数量和收敛性能，对列车底部和接触网部分进行简化。

图3 列车模型(单位:m)

2 计算结果及分析

根据目前兰新线沿线的挡风墙参数，将计算条件设定为挡风墙高度为距轨面2～6 m，挡风墙位置为挡风墙内侧距1线中心线4.5～6.5 m，得出挡风墙参数变化对两线接触网区域风场特性的影响［6-8］。挡风墙采用对拉式挡风墙，厚度为0.8 m，横风风速为稳定风速，取为 40 m/s。

2.1 挡风墙高度对接触网区域风场特性的影响

计算工况条件如表1所示，列车车型为YZ25G型客车，列车静止处于1线，挡风墙高度从轨面算起，接触网区域选取距轨面 5.35 m ±0.2 m 高度［9］，计算结果选取此高度范围内各点的平均值。

(1)计算所得1线接触网区域风场特性数据如图4、图5所示。当接触网区域风向角在第三、四象限时，图中仰角取负值。

(2)计算所得2线接触网区域风场特性数据如图6、图7所示。

表1 挡风墙高度计算条件

图4 挡风墙高度对1线接触网区域风速影响曲线

图5 挡风墙高度对1线接触网区域大风仰角影响曲线

图6 挡风墙高度对2线接触网区域风速影响曲线

图7 挡风墙高度对2线接触网区域大风仰角影响曲线

由图4和图6可以看出，随着挡风墙高度的增加，接触网区域风速呈下降趋势，但从3 m以后就开始逐渐稳定下来，只有很小的波动。

由图5和图7可以看出，大风仰角在3 m以后曲线相对波动较大。分析其原因，是此时的挡风墙高度越高，X、Y方向的风速值相对越小，即使一个方向的风速出现小的变化，对风向仰角也影响很大，导致其波动很大。

2.2 挡风墙距线路中心的位置对接触网区域风场特性的影响

根据以上计算结果，考虑接触网高度对接触网区域风场特性的影响，将挡风墙高度定为3 m。

计算工况条件如表2所示，列车车型为YZ25G型客车，列车静止处于1线，挡风墙高度从轨面算起，接触网位置为距轨面(5.35±0.2)m高度，计算结果选取高度内各点的平均值。

(1)1线接触网数据:计算结果如图8、图9所示。

(2)2线接触网数据:计算结果如图10、图11所示。

表2 挡风墙距离计算条件

图8 挡风墙位置对1线接触网区域风速影响曲线

图9 挡风墙位置对1线接触网区域大风仰角影响曲线

由图8和图10可以得出结论，相比挡风墙高度对接触网区域风速的影响而言，挡风墙位置对接触网的影响比较小，曲线较为平滑，风速变化相对较小。由图9和图11可以看出，在行车线有车时，其所在线的接触网仰角都比较小，在10°～25°，比较大的仰角都出现在没有行车的铁路线，且此时风速较小，故可以保证行车安全。可以得出，挡风墙位置在5 m左右时，接触网数据较为良好。

图10 挡风墙位置对2线接触网区域风速影响曲线

图11 挡风墙位置对2线接触网区域大风仰角影响曲线

3 结论

通过对风场进行计算，可以得出如下结论:

(1)挡风墙高度为3 m以上时，接触网区域风速、风向仰角和风压比较适合列车行走;

(2)挡风墙距线路中心5 m时，接触网区域风速、风向仰角比较适合列车行走。

［1］尹永顺，王厚雄.兰新复线防风安全工程研究报告［R］.乌鲁木齐:乌鲁木齐铁路局，1993.

［2］李斌.兰新线风区段铁路大风气象灾害及防风措施［J］.大陆桥视野，2007(6).

［3］刘凤华.不同类型挡风墙对列车运行安全防护效果的影响［J］.中南大学学报，2006，37(1).

［4］高注，王蜀东，尹永顺.挡风墙高度的研究［J］.中国铁道科学，1990，11(1).

［5］田志军.电气化铁路接触网防风技术研究［J］.建设机械技术与管理，2007(7).

［6］姜翠香.挡风墙高度和设置位置对车辆气动性能的影响［J］.中国铁道科学，2006(2).

［7］刘凤华.加筋土式挡风墙优化研究［J］.铁道工程学报，2006(1).

［8］董汉雄.兰新铁路百里风区挡风墙设计［J］.路基工程，2009(2).

［9］熊小惠，梁习锋，高广军，等.兰州—新疆线强侧风作用下车辆的气动特性［J］.中南大学学报:自然科学版，2006，37(6).

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［11］B.E.Launder，D.B.Spalding，Lectures in Mathematical Models of Turbulence［M］.London:Academic Press，1972.